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第二章 数字通信技术-2

第二章 数字通信技术-2. 数字通信技术-1 主要内容 1、差错控制编码的基本思想。 2、 PCM 的三个基本过程。 3、抽样定理。 4、语音信号的抽样周期。 5、量化的基本思想 。 6、均匀量化的弊端。. 2 .2.2 量化 — 非 均匀量化. 关于非均匀量化的主要内容： 1、掌握其基本思想 2、了解 A 律13折线量化方法，分级情况 （2）非均匀量化 基本思想： 使信号辐度小时，量化间隔△ u 小些，信号幅度区间大时，量化间隔△ u 大些，以使大小信号相对量化误差（量化信噪比）趋于一致。. 2 .2.2 量化. 实现方法：

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第二章 数字通信技术-2

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Presentation Transcript

  1. 第二章 数字通信技术-2 数字通信技术-1 主要内容 1、差错控制编码的基本思想。 2、PCM的三个基本过程。 3、抽样定理。 4、语音信号的抽样周期。 5、量化的基本思想。 6、均匀量化的弊端。

  2. 2.2.2 量化—非均匀量化 关于非均匀量化的主要内容： 1、掌握其基本思想 2、了解A律13折线量化方法，分级情况 （2）非均匀量化 • 基本思想：使信号辐度小时，量化间隔△u小些，信号幅度区间大时，量化间隔△u大些，以使大小信号相对量化误差（量化信噪比）趋于一致。

  3. 2.2.2 量化 • 实现方法： • 为达到使大小信号量化信噪比趋于一致的目的，可采取一种等效途径： • 首先通过人为变换，对样值进行处理χ→y， 以增大小信号样值，减小大信号的样值。 • 然后再对处理后的y样值区间进行均匀量化以保证量化间隔△u′一致（△u变为△u′）。 • 达到大小信号量化信噪比趋于一致的目的。

  4. 压缩处理后，再对y均匀量化等效于对x非均匀量化压缩处理后，再对y均匀量化等效于对x非均匀量化 • 因此，压缩器的功能，加上均匀量化的功能，等效于非均匀量化。 • 压缩处理+均匀量化=非均匀量化

  5. 2.2.2 量化 • 目前数字压扩特性国际上有两种不同的标准： • A律十三折线压扩特性 • 13折线A律主要用于英、法、德等欧洲各国的PCM设备中，我国也采用A律13折线。 • μ律十五折线压扩特性 • 15折线μ律主要用于美国、日本和加拿大等国的PCM设备中。

  6. 2.2.2 量化 • 13折线A律压扩曲线

  7. 2.2.2 量化 A律13折线的生成： • 13折线A律是从非均匀量化的基点出发，设法用许多折线来逼近A律对数压扩特性的。 • 设在直角坐标系中，x轴和y轴分别表示输入信号和输出信号，并假定输入信号和输出信号的最大取值范围都是＋1～－1，即都是归一化的。 • 为达到非均匀量化的目的，A律13折线分两步生成： • 第一步，把x轴的区间［－1，1］不均匀地分成16大段，正半轴8大段，负半轴8大段。

  8. 2.2.2 量化 • 其具体分法如下: • 将区间[0，1]一分为二，其中点为1/2,取区间[1/2,1]作为第八段; • 将剩下的区间[0,1/2]再一分为二，其中点为1/4,取区间[1/4,1/2]作为第七段; • 将剩下的区间[0,1/4]再一分为二，其中点为1/8,取区间[1/8,1/4]作为第六段; • 将剩下的区间[0,1/8]再一分为二，其中点为1/16,取区间[1/16,1/8]作为第五段; • ……. • 最后剩下的区间[0,1/128]作为第一段。 • 其中第一、第二两段长度相等，都是1／128。

  9. 2.2.2 量化 • 第二步，将以上8个不均匀大段的每一段，再均匀地分成16等份，每一等份代表一个量化级。

  10. 2.2.2 量化 • 因此，将x轴的0～1的变化域分成了16×8＝128个非均匀量化级，以使输入信号的抽样值进行非均匀量化； • 另外，对-x轴也作同样的分段处理，则x轴共有256个非均匀量化级。 • 对于y（或-y）轴的0～1的变化域被均匀地分成8大段，每大段再均匀地分成16等份，故y轴同样也被分成128×2＝256个量化级，不过它是均匀量化级。

  11. 2.2.3编码 1、常用编码方法 • 常用的编译码是根据A律13折线非均匀量化间隔的划分直接对样值编码，称为非均匀编码（在编码过程中实现了非均匀量化），接收端再进行非均匀解码，即直接非均匀编解码法。 • 编码由编码器完成，译码由译码器完成。

  12. 2.2.3编码 2、编码的位数和码位的安排 • 量化级数N＝2（正负极性）×8（段）×16（等份）＝256，所以需8位二进制码。 • 用1位二进制码（称为极性码）表示正负（如“1”表示正，“0”表示负）、3位二进制码（称为段落码）表示8大段落、4位二进制码（称为段内码）表示每一大段的16等份 • a1， a2a3a4， a5a6a7a8 极性码 段落码 段内码

  13. 2.2.3编码 3、常用码型 • 指的是把模拟信号抽样值量化后的所有量化级，按其量化值的大小次序排列起来，并列出各自对应的码组，这个整体称为码型。 • PCM通常采用的码型 • 一般二进码 • 循环码（格雷码） • 折叠码

  14. 2.2.3编码 • 自然二进制码 • 码组中每位码都代表一定数值，叫做权值。 • 二进制码组和所对应的量化级之间的关系是：A＝an2n-1+an-12n-2+……+a120。 • 其中n表示码位，an、an-1……a1表示每位二进制码的取值是“1”还是“0”。 • 优点：译码器结构可以简化，每位可单独译码 • 缺点：编码电路复杂，正负极性码型完全不同

  15. 2.2.3编码 • 折叠二进制码 • 特点是正、负两半部分，除去最高位后，呈倒影、折叠关系，最高位上半部分为“1”,下半部分为“0”。 • 利用这种码编码时，对于双极性信号，可用最高位表示信号的正、负极性，叫做极性码 • 用其余的码表示信号的绝对值，叫做幅度码 • 优点：编码电路简单，只要加一个极性判别电路，则正、负极性信号可以共用一个编码电路。

  16. 2.2.3编码 • 循环码：又称格雷码 • 是另外一种折叠码，也有极性码和幅度码两部分组成。 • 特点:相邻码之间只有一个码字不同，这样误一位码造成的偏差的平均值小一些。 • 循环码在排列上的这一特点使得在传输过程中若产生一位误码，错到相邻量化级时，因仅差一个量化台阶，不致于影响听觉上的感觉相差很大。 • 但这种码与其所表示的数值之间无直接联系，如每位码没有固定的权值，它不能逐个码元独立进行编译码，因而它不具有自然二进制码的优点。 • 所以编码电路比较复杂，一般较少采用。

  17. 2.2.3编码 3、码型的选取 • 选取码型主要考虑的是各种码型传输时的效果。 • 语声信号幅度大信号出现的概率小，小信号出现的概率大，所以我们更关心小信号传输的效果。 • 例如小信号情况时，有一样值量化编码为000，设传输中错一位，可有三种情况： • 001、010、100

  18. 2.2.3编码

  19. 2.2.3编码 • 结论： • 小信号情况选用折叠码，错一位引起的平均误差最小。 • 所以在语音信号PCM通信系统中一般都采用折叠码二进制编码。

  20. 2.2.3编码 • 上述将模拟信号取样、量化、再将量化所得离散幅值用一组二进制码表示（即编码）的过程，就是所谓脉冲编码调制（PCM）过程。 • 在PCM通信系统中，一路带宽为4kHz的模拟语音信号是如何变成64kbit/s的数字语音信号的？ • 抽样：8kHz速率的取样； • 非均匀量化：每个样值又非均匀量化为256个不同量化级中的一个； • 编码：每个量化值再编码为8位折叠二进制码 • 码速为：8000× 8=64 K

  21. §2.3 数字传输技术 • 数字基带传输 • 数字频带传输

  22. 2.3.1 数字基带传输 1、数字基带信号 • 数字终端设备直接产生 • A/D转换后 • 从波形上看，数字信号一般是由不同电压极性（如＋5V或－5V）表示的矩形脉冲 • 矩形脉冲的固有频宽称做基本频带，即基带，上述数字信号又统称为数字基带信号。

  23. 2.3.1 数字基带传输 2、基带传输 • 将基带信号直接送往信道中传输的传输方式； • 简单说来，就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 • 如短距离的脉冲编码调制（PCM）局间中继、局域网计算机间的数据传送常采用基带传输方式。

  24. 2.3.1 数字基带传输 3、基带传输码型 • 选码原则 （1）不应含有直流分量和只有很小的低频分量 ； （2）便于从信号中提取位同步定时信息； （3）传输码型应具有误码检测功能； （4）对任何信源具有透明性，解决长连‘1’和长连‘0’问题 ； （5）编译码的设备应尽量简单。

  25. 2.3.1 数字基带传输 • 常用码型 • 曼彻斯特码（又称分相码、数字双相码） • 传号交替反转码（AMI码） • 传号反转码（CMI码） • 三阶高密度双极性码（HDB3码）

  26. 2.3.1 数字基带传输 • 曼彻斯特码 • 001 110 • 常用于计算机通信网络中

  27. 2.3.1 数字基带传输 • 传号交替反转码（AMI:Alternate Mark Inversion Code） • 0 不变，1交替变为+1和-1 • 北美系列一、二、三次群的线路码型

  28. 2.3.1 数字基带传输 • 三阶高密度双极性码（HDB3码：High Density Bipolar） • AMI码中没有四个连‘0’时， AMI码就是HDB3码 • AMI码中有四个连‘0’时： • 第四个0用V代表，V的极性与这四个0的前一个非0码极性相同。 • 为保证V的极性不同（若径上面变换出现相同情况），则第一个0用B代表，B的极性与前一非0符号极性相反。

  29. 2.3.1 数字基带传输 • 消息带码： 1 000 0 1 1 000 0 1 1 000 0 1 • AMI码： -1 000 0 +1 -1 000 0 +1 –1 000 0 +1 • HDB3码 -1 000-V 0 +1 –1 +B00+V -1 +1-B00+V +1 • HDB3码是CCITT建议PCM30/32标准系列的基群、二次群、三次群的线路码型。

  30. 2.3.1 数字基带传输 • 传号反转码（CMI码：Code Mark Inversion） • 001 100/11交替。 • CCITT建议四次群接口码型。 • 1 0 1 1 1 0 0 1 1 • 11 01 00 11 00 01 01 11 00

  31. 2.3.2 数字频带传输 1、定义 • 利用数字基带信号去控制载波，从而实现数字信号对载波的调制，以形成数字信号的载波传输。 • 必须经过调制器（频带调制器），将数字信号调制成模拟信号后再送往信道传输，称之为数字信号的频带传输。

  32. 2.3.2 数字频带传输 2、常用调制方法 • 调制：使载波信号的某个参量随即带信号的变化而变化。 • 由于数字调制方式中调制信号是“1”或“0”，对载波参数的控制相当于开关，所以数字调制方式通常称之为“键控法”。 • 载波S(t)=Asin(ω t+Φ) • A：振幅 • ω ：角频率 • Φ：相位

  33. 2.3.2 数字频带传输 （1）幅移键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying） • 有载波代表“1”码，无载波代表“0”码 • 实现容易，技术简单，抗干扰能力差。

  34. 2.3.2 数字频带传输 （2）频移键控方式（FSK，Frequency-Shift Keying） • 用两种不同频率的载波分别代表数字“1”和数字“0”。 • 主要应用于低速或中低速的数据传输中（是因为在相同传信率下，需要比数字调幅和数字调相更宽的传输频带）。

  35. 2.3.2 数字频带传输 （3）相移键控方式（PSK，Phase-Shift Keying） • 载波的初相角为0°代表“1”，初相角为180°代表“0”码（或相反） • 主要用于中速和中高速(1200bit/s----4800bit/s)的数据传输系统中 • 改进：DPSK 相对相移键控 • 载波相位变化为0º代表“0”码，变化180º代表“1”码（或相反）

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